（材料加工工程专业论文）tp304h服役炉管的组织变化研究及寿命预测.pdf

硕士学位论文 摘要 随着石化工业的飞速发展，高温离心铸造炉管早已广泛应用于石油化工厂的 裂解炉、制氢炉中，由于炉管的工作环境非常恶劣，工作温度高达7 0 0 一1 0 5 0 。 在长期高温作用下，炉管材质会逐渐产生组织损伤，炉管材质的组织高温损伤主 要表现为：珠光体球化和石墨化、蠕变孔洞、碳化物析出等，这些均造成炉管材 质脆化和承载能力下降。同时由于生产过程中管壁温度经常变化及气体的强烈冲 刷作用，常使炉管在未达到设计寿命前就严重损伤和破坏。 根据美国石油学会规范a p ir p 5 3 0 ，炉管的设计寿命为l o 万小时。然而，依 据操作条件及材料性质得到的有效服役寿命却在3 万一1 5 万小时。裂解炉炉管运 行很多已远远超过其设计寿命，这些炉管是否还可继续运行和运行多久，是亟待 解决的问题。对于这类问题国内外已有不少研究成果，但各种炉管生产工艺、环 境以及原始炉管冶金质量和组织性能的差异，因此，有必要对不同炉管进行组织、 性能测试及剩余寿命评估。 本研究通过观察对比某石化企业超高温服役下的乙烯裂解炉管对流段母材显 微组织在运行前后的变化，分析探讨炉管损伤与组织性能，利用l m 参数外推法 预测炉管剩余寿命，评定炉管能否服役到下一个检修周期，分析引起炉管劣化的 原因，保证乙烯裂解炉长期安全运行。主要研究内容与结论如下： ( 1 ) 对新旧炉管进行金相组织分析，结果表明随着服役时间的增加，炉管组 织析出相越来越多，晶粒的完整度逐渐变差。 ( 2 ) 对已服役管的高温持久拉伸试样棒进行金相组织分析可见，随着温度的 升高和服役时间的增加，析出物有聚集倾向，孪晶特征减小趋势较明显。 ( 3 ) 通过扫描电镜( s e m ) 和能谱( e d s ) 分析，结果表明服役2 万小时旧炉 管横断面炉管内壁凹凸不平，沿着内壁和晶界存在磨损和腐蚀破坏痕迹，晶内有 一定量块状析出物，点分析结果显示局部存在c 、s 、c l 、k 、c a 等元素的偏析， 同时存在大量龟裂裂纹；服役3 万小时旧炉管内壁存在大量的疏松颗粒、且凹凸 不平。 - ( 4 ) 通过拉伸试验可以看出，随着服役时间的增加，炉管的强度参数抗 拉强度虽然在增加，而塑性参数伸长率、断面收缩率却发生不同程度的减少， 说明高温服役使炉管材质发生一定程度的脆化。 ( 5 ) 通过高温持久试验及寿命预测，采用l m 公式预测的新炉管和服役炉管 的寿命均远远超过设计寿命，说明温度和压力在服役过程中影响有限，主要是碳 化物析出脆化的影响。经过归一化处理服役2 万小时的旧炉管残余寿命超过了2 年的大修周期，服役3 万小时的旧炉管的残余寿命也超过了1 年。 t p 3 0 4 h 服役炉管的组织变化研究机寿命预测 关键词：服役炉管；乙烯裂解炉；l m 参数法；寿命预测；高温持久试验；金相 组织 a bs t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , h i g h t e m p e r a t u r e c e n t r i f u g a lc a s tf u r n a c et u b eh a sb e e nw i d e l yu s e di np e t r o c h e m i c a lp l a n tc r a c k i n g f u r n a c e ，h y d r o g e nf u r n a c e ，t h ef u r n a c ep i p ew o r k i n ge n v i r o n m e n ti sv e r yb a d ，h i g h w o r k i n gt e m p e r a t u r eo f7 0 0 - 10 5 0 i nt h el o n gt e r mh i g ht e m p e r a t u r e ，t u b e m a t e r i a lw i l lg r a d u a l l yp r o d u c et i s s u ei n j u r y , t u b em a t e r i a lh i g h - t e m p e r a t u r ei n ju r y m a i n l ya sf o l l o w s ：t h es p h e r o i d i z a t i o no fp e a r l i t ea n dg r a p h i t e ，c r e e pc a v i t y , c a r b i d e p r e c i p i t a t i o n ，t h e s e a r ec a u s e db yt h et u b em a t e r i a le m b r i t t l e m e n ta n d c a r r y i n g c a p a c i t yd e c l i n e a tt h es a m et i m ea sar e s u l to ft h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft u b ew a l l t e m p e r a t u r ec h a n g ef r e q u e n t l ya n ds t r o n gg a ss c o u r i n ge f f e c t ，o f t e nm a k et h ef u r n a c e t u b e si nd o e sn o tr e a c ht h ed e s i g nl i r eb e f o r es e r i o u sd a m a g ea n dd e s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ea m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t ea p ir p 5 3 0 ，f u r n a c et u b ei s d e s i g n e dt ol a s tf o r10 0 0 0 0 h o u r s h o w e v e r , d e p e n d i n go nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n dm a t e r i a lp r o p e r t i e si so b t a i n e df o rt h e e f f e c t i v es e r v i c el i f ei s 3 0 0 0 0 1 5 m i n i o n h o u r s c r a c k i n gf u r n a c et u b er u nm a n yh a sf a re x c e e d e di t sd e s i g nl i f e ，t h ef u r n a c e t u b es t i l lc a l lc o n t i n u et or u na n dr u nl o n g ，i ti st h ep r o b l e mt h a ts o l v e su r g e n t l y f o r t h i sk i n do fp r o b l e ma th o m ea n da b r o a d ，m a n yr e s e a r c hr e s u l t s ，b u tav a r i e t yo f f u r n a c et u b ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，e n v i r o n m e n t a sw e l la st h e o r i g i n a lf u r n a c e m e t a l l u r g i c a lq u a l i t ya n do r g a n i z a t i o n a lp e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e s ，t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r y t o o r g a n i z ed i f f e r e n tf u r n a c et u b e ，p e r f o r m a n c et e s ta n dr e s i d u a ll i f e a s s e s s m e n t t h i sr e s e a r c ht h r o u g ho b s e r v a t i o na n dc o n t r a s to fap e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e u n d e rs u p e rh i g ht e m p e r a t u r es e r v i c eo ft h e e t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c et u b e si n c o n v e c t i o ns e c t i o no fp a r e n tm a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r ei no p e r a t i o nb e f o r ea n da f t e rt h e c h a n g e s ，a n a l y s i so ff u r n a c et u b ed a m a g ea n do r g a n i z a t i o n a lp e r f o r m a n c e ，u s i n gt h e l _ mp a r a m e t e rm e t h o do f e x t r a p o l a t i o nt op r e d i c tf u r n a c et u b er e m a i n i n gl i f e a s s e s s m e n to ff u r n a c et u b e ，c a ns e r v et ot h en e x to v e r h a u lc y c l e ，a n a l y s i so fc a u s et h e c a u s e so ft h ed e t e r i o r a t i o no ff u r n a c e t u b e ，e n s u r i n gl o n g - t e r ms a f eo p e r a t i o no f e t h y l e n ef u r n a c e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo l df u r n a c et u b e so fm e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t h t h ei n c r e a s eo ft h es e r v i c et i m e ，f u r n a c et u b et i s s u ep r e c i p i t a t e sm o r ea n dm o r e ，t h e g r a i ni n t e g r i t yb e c o m e sw o r s e ( 2 ) t h es e r v i c ep i p e e n d u r i n g h i g ht e m p e r a t u r et e n s i l es p e c i m e nb a rf o r m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i so fv i s i b l e ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ea n dt h ei n c r e a s e m o ft h es e t r i c et i m e ，p r e c i p i t a t eap r o p e n s i t yf o ra g g r e g a t i o n ，t w i nf e a t u r e s r e d u c e t r e n di sm o r eo b v i o u s ( 3 ) b ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n d e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) a n a l y s i s ，t h er e s u l t s s h o wt h a ts e r v i c e 2 0 0 0 0h o u r so l df u r n a c e t u b ec s s s e c t i o na l o n gt h ei n n e rw a l lo ft h ei n n e rw a l lo ft h ef u r n a c et u b ei su n e v e n ，a n d t n e g r a i nb o u n d a r yw e a l a n dc o r r o s i o nd a m a g et r a c e s ，c r y s t a lw i t h i na c e r t a l na r n o u n to 士 b u l kp r e c i p i t a t i o n ，a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h ee x i s t e n c eo fc ，s ，p a r t o fc i ，k ，c a e l e m e n ts e g r e g a t i o n ，a n dt h ee x i s t e n c eo fal a r g en u m b e r o fc r a c k s ；t h ei n n e rw a l lo t t h ef u m a c et u b ei ns e r v i c e 3 0 0 0 0h o u r so l d ，t h e r e a r eal o to fl o o s ep a r t i c l e sa l l d u n e v e n ( 4 ) b ym e 锄so fat e n s i l et e s tc a l lb es e e n ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h es e r v i c e t i m e f u m a c et u b es t r e n g t hp a r a m e t e r s t e n s i l es t r e n g t hw h i l e i n c r e a s i n g ，a n dp l a s t l c p a r a m e t e r s e l o n g a t i o n ，s h r i n k a g er a t e i sr e d u c e di nd i f f e r e n td e g r e e s ，h l g h t e m p e r a t u r es e r v i c es ot h a tt h et u b em a t e r i a l h a dac e r t a i nd e g r e eo fb r i t t l e n e s s ( 5 ) t h r o u g hh i g ht e m p e r a t u r ee n d u r a n c et e s t a n ds e r v i c el i f ep r e d i c t i o n ，u s i n g l mf o r m u l at op r e d i c tn e wf u r n a c ea n df u r n a c et u b ei ns e r v i c el i f ea r e f a re x c e e dt h e d e s i g nl i f e ，t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei ns e r v i c ed u r i n gt h el i m i t e di m p a c t ，m a i n l y c a r b i d ep r e c i p i t a t i o ne m b r i t t l e m e n t a f t e rn o r m a l i z a t i o ns e r v e df o r2 0 0 0 0 h o u r s o nt h e o l df u r n a c et u b er e m a i n i n gl i f e f o rm o r et h a n2 y e a r so v e r h a u lc y c l e ，s e r v e d 士o r 30 0 0 0 h o u r so nt h eo l df u r n a c et u b er e m a i n i n gl i f eo f o v e r1y e a r s k e yw o r d s ：f u r n a c et u b e ；e t h y l e n e c r a c k i n gf u r n a c e ；l - mp a r a m e t e rm e t h o d ；l i f e p r e d i c t i o n ，e n d u r i n gh i g ht e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t ；m e t a l l o g r a p h i c s t r u t t u r e i v 硕士学位论文 第1 章绪论 随着石化工业的飞速发展，高温离心铸造炉管早已广泛应用于石油化工厂的 裂解炉、制氢炉中，由于炉管是在高温、应力和腐蚀介质的作用下长期工作的， 因此要求其有良好的抗渗碳性能、耐腐蚀性能、抗高温蠕变断裂性能、抗热疲劳 性能、抗氧化性能、导热性能及铸造和焊接性能。 由于炉管的工作环境非常恶劣，炉管的管壁处在管内腐蚀性介质、管内外氧 化或硫化以及高温环境作用下【2 。3 】，同时又要承受内压、自重、温差及开停车所引 起的疲劳、热冲击等复杂的载荷作用，容易发生高温组织损伤、弯曲变形、超温 蠕变爆裂、热疲劳、应力腐蚀开裂、腐蚀穿孔、冲刷磨损等失效事故【4 谓】。炉管的 工作温度高达7 0 0 一1 0 5 0 ，虽然其设计寿命为6 1 0 万小时，但由于使用期间 因过热或处理不当，这些炉管常常使用不久就不得不更换【2 】。在长期高温作用下， 炉管材质会逐渐产生组织损伤。炉管材质的组织高温损伤主要表现为：珠光体球 化和石墨化、蠕变孔洞、碳化物析出等，这些均造成炉管材质脆化和承载能力下 降。同时由于生产过程中管壁温度经常变化及气体的强烈冲刷作用，常使炉管在 未达到设计寿命前就严重损伤和破坏【3 】。在日常检修和更换旧炉管时，需进行新 管与服役炉管的焊接，而焊后在服役管一侧很容易开裂，服役管的焊接性变差， 影响焊接修复【4 1 。生产中存在大量此类问题，给企业的检修带来困难，造成经济 损失。 裂解炉炉管造价高，大部分依靠进口，在裂解炉中炉管的投资约占炉子总投 资的5 0 6 0 ，耗钢量约占4 0 5 0 。因此，这些因素都决定了，分析研究高温炉 管的材料性能，进行炉管的损伤、失效分析从而预测其剩余寿命是至关重要的， 既可以较准确地制定检修时间间隔，又能最大限度地提高资源利用率，达到经济 合理地使用炉管和安全生产的目的。 根据美国石油学会规范a p ir p 5 3 0 ，炉管的设计寿命为1 0 万小时。然而，依 据操作条件及材料性质得到的有效服役寿命却在3 万1 5 万小时【9 】。裂解炉炉管 运行很多已远远超过其设计寿命，这些炉管是否还可继续运行和运行多久，是亟 待解决的问题。对于这类问题国内外已有不少研究成果，但各种炉管生产工艺、 环境以及原始炉管冶金质量和组织性能的差异，因此，有必要对不同炉管进行组 织、性能测试及利用l m 参数外推法【l o 】预测炉管剩余寿命剩余寿命评估。 1 1 耐热钢简介 1 1 1 耐热钢基本概念 在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称 作耐热钢。耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。抗氧化钢又简称不起皮钢。热强 t p 3 0 4 h 服役炉管的组织变化研究机寿命预测 钢是指在高温下具有良好的抗氧化性能并具有较高的高温强度的钢。 耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工 业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀 外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的 组织稳定性。中国自1 9 5 2 年开始生产耐热钢。以后研制出一些新型的低合金热 强钢，从而使珠光体热强钢的工作温度提高到6 0 0 - - 6 2 0 c ：此外，还发展出一些 新的低铬镍抗氧化钢种。耐热钢和不锈耐酸钢在使用范围上互有交叉，一些不 锈钢兼具耐热钢特性，既可用作为不锈耐酸钢，也可作为耐热钢使用。 1 1 2 合金元素的作用 铬、铝、硅这些铁素体形成的元素，在高温下能促使金属表面生成致密的氧 化膜，防止继续氧化，是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的主要元素。但铝 和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。铬能显著提高低合金钢的再结晶 温度，含量为2 时，强化效果最好。镍、锰可以形成稳定奥氏体。镍能提高奥氏 体钢的高温强度和改善抗渗碳性。锰虽然可以代镍形成奥氏体，但损害了耐热钢 的抗氧化性。 钒、钛、铌是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温 强度。钛、铌与碳结合还可防止奥氏体钢在高温下或焊后产生晶间腐蚀。 碳、氮可扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。钢中含铬、锰较 多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替价格较贵的镍。 硼、稀土均为耐热钢中的微量元素。硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变， 晶界上的硼又能阻止元素扩散和晶界迁移，从而提高钢的高温强度；稀土元素能 显著提高钢的抗氧化性，改善热塑性。 1 1 3 耐热钢分类 珠光体钢：合金元素以铬、钼为主，总量一般不超过5 。其组织除珠光体、 铁素体外，还有贝氏体。这类钢在5 0 0 - - - 6 0 0 有良好的高温强度及工艺性能，价 格较低，广泛用于制作6 0 0 以下的耐热部件。如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转 子、紧固件及高压容器、管道等。典型钢种有：1 6 m o ，1 5 c r m o ，1 2 c r l m o v ，l o c r 2 m o l ， 1 2 c r 2 m o w v t i b ，2 5 c r 2 m o l v ，2 0 c r 3 m o w v 等。 马氏体钢：含铬量一般为7 1 3 ，在6 5 0 以下有较高的高温强度、抗氧化 性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。含铬1 2 左右的1 c r l 3 、2 c r l 3 ，以及在 此基础上发展出来的钢号如1 c r l l m o v ，1 c r l 2 w m o v , 2 c r l 2 w m o n b v b 等，通常用 来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。此外，作为制造内燃机排气阀用的 4 c r 9 s i 2 4 c r l 0 s i 2 m o 等也属于马氏体耐热钢。 铁素体钢：含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的 2 硕士学位论文 抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低，室温脆性较大，焊接性较差。 如1 c r l 3 s i a l ，1 c r 2 5 s i 2 等。一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的 部件。 奥氏体钢：含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在6 0 0 以上时，有较 好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。通常用作在6 0 0 以上工作的热强 材料。典型钢种有1 c r l 8 n i 9 t i ，1 c r 2 5 n i 2 0 s i 2 ，2 c r 2 0 m n 9 n i 2 s i 2 n ，4 c r l 4 n i l 4 w 2 m o ， l c r 2 3 n i l 3 等。 1 1 4 耐热钢生产工艺 冶炼：耐热钢一般在电弧炉或感应炉中熔炼。质量要求高的往往采用真空精 炼和炉外精炼工艺。 铸造：某些高合金耐热钢难以加工变形，生产铸件不仅比轧材合算，而且铸 件还有较高的持久强度。所以在耐热钢中耐热铸钢占有相当大的比例。铸造方法 除采用砂型铸造外，还可用精密铸造工艺以获得表面光滑、尺寸精确的产品。对 合成氨和乙烯裂解用的高温炉管往往采用离心铸造的方法。 热处理：珠光体热强钢通常经正火或调质后使用；马氏体耐热钢用调质处理， 以稳定组织，得到良好的综合力学性能和高温强度。 铁素体钢不能通过热处理强化。为消除因冷塑性变形加工和焊接所导致的内 应力，可在6 5 0 8 3 0 进行退火处理，退火后快速冷却，以便迅速地经过4 7 5 脆 性温度范围。 奥氏体抗氧化钢大多采用高温固溶热处理，以获得良好的冷变形性。奥氏体 热强钢则先用高温固溶处理，然后在高于使用温度6 0 - 1 0 0 c 条件下进行时效处 理，使组织稳定化，同时析出第二相，以强化基体。耐热铸钢多在铸态下使用，也 有根据耐热钢的种类采用相应的热处理的。 1 1 5 耐热钢的用途 裂解炉的炉管是高温承压部件，内壁承受高温、高压水蒸气氧化，外壁承受 高温烟气的腐蚀和固体颗粒的冲蚀，在长期高温运行中，管材出现组织变化、材 质老化、蠕变、水蒸气氧化、腐蚀、磨损等问题，直接影响管子的使用寿命，在 超温状况下，上述问题将更为严重。因此，在选用材料上，既要考虑材料的高温 性能、工艺性及经济性，还要考虑材料的抗水蒸气氧化性能和抗腐蚀性能。本试 验所用材料为奥氏体耐热钢，钢号0 c r l 8 n i 9 ，因t p 3 0 4 h 材料满足裂解炉炉管非常 恶劣的工作环境，即炉管的管壁处在管内腐蚀性介质、管内外氧化或硫化以及高 温环境作用。 t p 3 0 4 h 服役炉管的组织变化研究机寿命预测 表1 1 耐热钢的用途 钢号适用温度范围及其主要用途 0 0 c r l 2 o c r l 3 a l 1 c r l 7 l c r l 2 1 c r l 3 o c r l8 n i 9 l c r l8 n i 9 t i o c r l 8 n i l o t i o c r 1 8 n i l l n b 0 c r 2 3 n i l3 0 c r 2 5 n i 2 0 0 c r l 7 n i l 2 m 0 2 0 c r l9 n i l3 m 0 2 0 c r l7 n i 7 a l 抗氧化温度6 0 0 7 0 0 ，用做高温、高压阀体、燃烧器 适用温度范围7 0 0 一8 0 0 ( 2 ，燃汽轮机压缩机叶片 在9 0 0 1 2 以下温度抗氧化，用做炉用高温部件、喷嘴 在6 0 0 - - - 7 0 0 1 2 温度范围内具有一定的抗氧化性和较高的高温强度， 可用于汽轮机叶片、喷嘴、锅炉燃烧器阀门的高温件 抗氧化温度7 0 0 8 0 0 1 2 ，其用途与1 c r l 2 钢相同 抗氧化温度8 7 0 1 2 以下，可用做锅炉受热面管子、加热炉零件、热交 换器、马弗炉、转炉、喷嘴 在4 0 0 - - 一9 0 0 c 温度范围内抗高温腐蚀氧化，可用于工作温度8 5 0 c 以 下的管件 抗氧化温度直至9 8 0 ，用于燃烧器火管、汽轮机叶片，加热炉体， 甲烷变换装置，高温分离装置 抗氧化温度直至1 0 3 5 ，用于加热炉部件；工作温度9 5 0 以下的输 气系统部件 抗氧化温度不低于8 7 0 c 工作温度6 0 0 - 7 5 0 ( 2 的化工、炼油热交换器 管子、炉用管件 工作温度5 5 0 1 2 以下的高温承载部件 1 2 乙烯及乙烯裂解炉简介 在石化企业中广泛使用的裂解炉，用来提高原料或反应物温度，也有些兼作 反应器，原料或反应物的被加热或反应过程都是在炉管内进行，因此炉管一般都 是在高温和一定压力下工作，管内介质通常是易燃易爆、易裂解、易结焦和腐蚀 性较强的油和气，管外直接用火焰加热，因此其工作条件极为苛刻，比其它通用 设备更易损坏；炉管的安全性对裂解炉能否正常高效运转起着决定性作用，也是 正常操作、装置安全运行的重要保证。 1 2 1 乙烯裂解炉简介 乙烯裂解装置又是乙烯工业的龙头，主要以石脑油、轻柴油、加氢劣化尾油 、液化气以及循环的乙烷和碳五等等为原料，经过高温裂解，急冷、压缩、分离 ，汽油加氢精制等几道工序，生产乙烯，丙烯、裂解碳四，加氢汽油、乙炔、氢 4 硕士学位论文 气、碳九、碳五等产品，以满足下游装置深加工的原料需求。在生产乙烯的过程 中，裂解炉为关键设备之一。 裂解炉主要由辐射段，对流段，燃烧器，吹灰器，集烟罩，引风机，废热锅 炉，钢结构等部分组成。裂解炉辐射段主要由辐射炉管，炉墙板，耐火衬里，燃 烧器组成，其中辐射炉管为裂解辐射段的关键部件。裂解炉辐射炉管均选用高铬 高镍合金钢管，c r n i 2 0 材质的炉管，其最高使用温度为1 0 0 0 ；c r 3 5 n i 4 5 型材 料的炉管，其最高使用温度为1 1 5 0 。辐射炉管的表面温度是非常重要的，它是 制约裂解炉运行时间长短的一个重要因素，在炉管制造过程加入微量元素v ，w 、t i ，n b 等，可有效提高辐射炉管的抗渗碳性能及抗高温蠕变性能，有效延长炉 管的使用寿命。高浓度的铬和镍元素保证材料的耐蚀性，尤其是镍含量越高，越 有利于改善钢的抗渗碳能能力、耐高温变形能力，还使钢能抵抗结焦引起的材料 损伤。 裂解炉对流段主要作用是回收由辐射室而来的烟气热量，同时加热锅炉给水 ，原料、稀释蒸汽，高压蒸汽等达到预期的工艺指标。对流段由多组盘管组成， 一般分为锅炉发给水预热段、原料预热段、稀释蒸汽过热段、高压蒸汽过热段， 原料+ 蒸汽高温过热段，由于温度及压力条件各段盘管的材料各不相同。温度较 低区域的盘管一般选用翅片管或钉头管以增大换热面积，提高热效率。 裂解炉是乙烯装置的核心，裂解炉的改进对整个乙烯装置操作上的经济性有 着直接的影响。裂解炉的发展趋势为：裂解炉的大型化；新型炉管的应用；新高 温合金材料的应用；不同型式的急冷锅炉的应用；新型燃烧器的应用；抑制结焦。 下图是乙烯管式裂解炉示意图1 1 【l l 】： 图1 1管式裂解炉示意图 1 2 2 乙烯裂解炉对流段结构功能 乙烯裂解炉分为对流段和辐射段【1 2 】。一般地说，裂解炉对流段主要作用是回 收由辐射室而来的烟气热量，同时加热锅炉给水、原料、稀释蒸汽，高压蒸汽等 t p 3 0 4 h 服役炉管的组织变化研究机寿命预测 达到预期的工艺指标。对流段由多组盘管组成，一般分为锅炉发给水预热段、原 料预热段、稀释蒸汽过热段、高压蒸汽过热段、原料+ 蒸汽高温过热段，由于温 度及压力条件各段盘管的材料各不相同，温度较低区域的盘管一般选用翅片管或 钉头管以增大换热面积，提高热效率。每一组盘管主要由换热炉管( 光管或翅片 管) 3 通过回弯头5 组焊而成，端管板2 和中问管板4 支持起炉管，有些盘管的 进出口通过集箱汇集到一起，示意图如下图3 所示，盘管实物图如图4 所示。每 一组盘管的四周再组对上炉墙，则构成一个模块，模块实物图如图5 所示。模块 从下而上叠在一起则成为对流段炉体，一台炉从下往上一般由下部超高压蒸汽过 热器、下部物料和蒸汽混合器、上部超高压蒸汽过热器、上部物料和蒸汽过热器 、锅炉给水预热器、下部原料预热器、上部原料预热器等7 个模块组成。 原h 工 酒； - - 垃一 _ l 一集禳；2 一端管板；3 一换热炉管( 光管或翅片管) ： 4 _ 中间管板；5 一测弯头 图1 2盘管结构图 图1 3盘管实物图 6 硕士学位论文 图1 4模块实物图 1 2 3 合金元素对乙烯裂解炉管性能的影响 s i ：s i 是冶炼时必要的脱氧剂，在合金中是抗渗碳的主要元素，但s i 是促进 6 相析出元素，加入量过多，会降低持久寿命。研究表明，在f e c r - n i 奥氏体耐 热合金中添加a l 和s i 可显著提高抗渗碳性能 1 3 , 1 4 , 1 5 】，但同时这些添加元素会降 低材料的机械性能及焊接工艺性能。 n b ，t i ，v ：能形成碳氮化物，改变晶界碳化物形态，细化m 2 3 c 6 ，使其均匀弥散 分布，从而提高合金的高温蠕变强度【l6 1 。 m n ：能改善焊接性能，减慢碳的扩散。但是促进6 相析出，加入量过多会降 低合金的抗氧化性能，一般控制在1 5 以下。 c o ：除了像n i 一样能稳定6 外，它还能减缓碳化物析出，并阻止碳化物聚集 长大，从而提高合金的抗蠕变强度。 b ，z r ，稀土：它们能抑制晶界硫，氧偏析和强化晶界，从而可提高蠕变断 裂强度和塑性。 m g ，c a ：它们具有脱氧去硫作用，同时能填补晶界空位，影响晶界碳化物的 行为，从而改善高温蠕变性能和塑性。 p b ，s n ，b i ，a s ，s b ：低熔点金属多分布在晶界上，降低合金的耐热强度和持久性 能，进口炉管中p b 1 1 ( 4 5 ) a4 6 所以该炉管为厚壁炉管。服役工况下，炉管的内压p = o 9 5 m p a ，则根据承受 内压的厚壁管应力计算公式计算的应力分量分别为： 炉管内壁一点承受的径向应力o ，： 。，= 丽a 2 pc t 一争等等c ，等，川9 5 胁 t p 3 0 4 h 服役炉管的组织变化研究机寿命预测 炉管内壁一点承受的切向应力o 。： 。= 丽a 2 p ( 1 + 多= 等等( t + 5 7 2 “5 。胁 7 ， 炉管内壁一点承受的轴向应力o ： a ：善乓：_ 4 6 2x 0 9 5 ：1 7 7 m p a 吒2 商2 万i 万。1 ( 4 8 ) 因此，o l = o 。= 4 5 0 m p a ，a 2 = o ：= 1 7 7 m p a ，a 3 = o ，= - 0 9 5 m p a 。 根据等效应力公式 石= 去瓜习可i 丽 = 去瓜五万面而而丽_ 4 7 2 m p a ( 4 9 ) 根据拉森米勒公式计算服役应力为4 7 2 m p a ，服役温度是6 5 0 时新炉管、 服役2 万小时、服役3 万小时的旧炉管的剩余寿命分别约为7 5 5 x 1 0 1 1 h 、1 1 3 1 0 h 和4 5 4 x 1 0 1 0 h 。进行归一化处理后新炉管、服役2 万小时、服役3 万小时的旧炉 管的剩余寿命分别约为1 0 x 1 0 5 h 、2 4 3 x 1 0 4 h 和1 2 4 x 1 0 4 h 。 、一 硕十学位论文 5 1 试验结论 第5 章试验结果的分析及讨论 l 、服役前后，新旧炉管内壁化学成分在宏观上无明显变化，但析出相脆化随 着服役时间的增加而逐渐加重。 2 、金相组织观察和电镜分析显示，炉管在服役过程中主要发生了碳化铬析出 导致“贫铬”的脆化现象。 3 、服役过程中，炉管壁厚变化很小，而内壁形貌和成分变化较大，服役2 万小时的旧炉管内壁出现凹凸不平的疏松区和大量细小的龟裂纹，服役3 万小时 的旧炉管内壁出现许多颗粒和孔洞的疏松区。服役炉管内壁均存在c 、s 、c l 、k 、 c a 等元素偏析。 4 、根据高温持久性能试验数据，采用l m 公式预测的新炉管和服役炉管的 寿命均远远超过设计寿命，说明温度和压力在服役过程中影响有限，主要是碳化 物析出脆化的影响。经过归一化处理服役2 万小时的旧炉管残余寿命超过了2 年 的大修周期，服役3 万小时的旧炉管的残余寿命也超过了1 年。 5 2 分析新旧炉管的寿命预测 5 2 1l m 参数法的局限性 持久试验的直线外推方法精度低，试验时间较长。到了2 0 世纪5 0 年代，出现 了外推精度较高的时间一温度参数外推法，其中以l a r s o n m i l l e r 公式最为著名。 半个多世纪以来，人们在评价高温构件的剩余寿命时，多采用基于持久试验的l m 外推方法，然而这个方法有它不可避免的缺陷。 l m 法的局限性具体表现在： ( 1 ) 由于试验会加速碳化物的聚集和氧化，改变材料的组织结构和性能，而 且当裂纹长度超过一定值后，外推精度会大大降低【7 5 1 ； ( 2 ) 未考虑应力松弛、材料缺陷及其演化，不可能精确评价蠕变断裂数据， 预测的寿命较实际乐观； ( 3 ) 材料参数c 值是与材料组织有关的参数，在寿命预测中相当重要，然而 对其精确确定【4 3 】有一定难度，不同的材料需要大量试验来确定。而c 值的误差会 导致寿命预测的较大误差结果，可能会相差一个数量级。 ( 4 ) 在长寿命区，未考虑的组织劣化等因素表现明显，外推精度不够，尤其 在低应力区，持久强度不是影响寿命的主要因素，往往无法进行外推。低应力、 长时间的试验值，对l m 法来说会向下稍微偏离曲线，因此，在长寿命区的应力 需向下进行修正。尽管进行修正，外推法的误差总是存在的。多项式拟合相对于 t p 3 0 4 h 服役炉管的组织变化研究机寿命预测 直线拟合在长寿命区的曲线是向下修正了，但是这种修正结果的误差是难以评定 的，尤其在试验数据不充分的情况下。 5 2 2 试验等效压力的不同 本文研究的乙烯裂解炉对流段主要是输送流体，压力不大，计算的等效压力 4 7 2 m p a 远远小于设计规范a p ir p 5 3 0 中t p 3 0 4 h 在6 5 0 时高温持久强度1 0 万 小时的压力4 9 7 7 m p a ，因此在工作压力为o 9 5 m p a ，工作温度为6 5 0 时，预测 的剩余寿命与设计标准一致。 5 2 3 试验过程本身存在的缺陷 如下图中异常拉断可能是夹具的螺纹孔在人工制作时有歪斜导致，也可能是 由于试样本身一边存在缺陷( 如裂纹等) 而造成的。 图5 1 正常拉断后的试样 图5 2 异常拉断后的试样 试验过程本身存在的缺陷t 在对裂解炉解剖时发现，凡是裂纹出现的部位均有 不同程度的渗碳现象( 在高温状态下，炉管管内壁扩散到管子中引起的炉管材料 的含碳量增加即为渗碳) ，裂纹一般发生在管子的内、外壁及渗碳层与非渗碳层交 界处，原因可能有如下几种： 管内壁裂纹：即渗碳层裂纹一般较宽，尤其在焊缝及热影响区附近分布着 硕十学位论文 较宽较深的网状裂纹。裂纹产生的原因可能是：在升温过程中内壁由于渗碳使膨 胀系数增大，其膨胀收到外壁的牵制，使管内壁受压，外壁受拉。在降温时则相 反，内壁受拉，外壁受压。 管外壁开裂：一般发生在焊缝热影响区和渗碳炉管的非渗碳区。前者是因 为焊接残余应力在热影响区域所致。后者主要是渗碳层体积膨胀，非渗碳层受其 膨胀产生的拉应力作用所致。这种裂纹的特点是起源于炉管的渗碳层与非渗碳层 外表，并沿晶界形成炉管的径向裂纹，裂纹前段存在着蠕变空洞，炉管外表有蠕 涨现象，此属材料在高温环境应力作用下的蠕变损伤。 炉管蠕涨分析：主要和炉管的受热状况有关。受热不均匀会加快炉管变形， 而炉管变形又会促成炉管的受热不均匀，因此也就加快了炉管的损伤。蠕变产生 的主要原因是过热。由于燃料燃烧调整，介质物料流量波动大，开停车升降温速 率大，以及炉管本身的热应力所造成的。 热冲击损伤分析：一般发生在炉管温度变化较大的部分，特别是炉管在高 温下受稀释蒸汽带液时损伤尤其严重。炉管宏观端口均为沿环向平齐拉断，呈脆 性断裂特征【_ 7 6 】。热冲击是操作系统因素，是人为可避免的。但要保证炉管在使用 时处于正常伸缩状态，不能出现滑道卡瑟、别劲现象，配重调整要适当，外界给 炉管的约束力将加重冲击炉管损伤程度。 5 3 炉管的延寿技术 高温过程工业的投资一般时巨大的，因此其设备的使用寿命直接影响着资源、 能源和资金的利用。一般地说，在产生相同效益的情况下，对于一个达到设计寿 命的火电厂，采取延寿措施和建造一个新厂相比，所发生的费用前者仅为后者的 2 0 - 3 0 左右；对于石油化工尚无详细的经济分析，估计与此数据相当【r 7 1 。延 寿是以安全可靠性和可用性为目的，根据先进的方法和技术，对关键部件或设备 进行再设计和再制造，以延长其服役时间的技术。近年来验收技术日益受到重视， 在各个部门广泛应用，成为世界范围内的热门话题。 为最大限度地发挥加热炉的作用，延长其使用寿命，首先在日常操作中要做 到以下几点r 7 8 】：保持并进一步改善炉膛运行工况；保持优良的介质品质，严格控制 物料杂质含量；防治超温超压，避免加剧高温炉管蠕变损伤速率；加强炉管薄弱 环节的技术监督和整改，做好防范措施。 炉管损伤部位的延寿处理技术大体可以分为【7 9 】：降低应力、表面修行及表面 改性。工程上消除焊接残余应力的方法主要是焊后热处理( p w h t ) ，但对于高强钢 焊接接头，必须采用p w h t 消除焊接残余应力时，应考虑对其造成的脆化危险。 c r 9 m o 钢的焊接性能较差，有空淬现象。表面改性的方法中，热喷涂应用较为广 泛。表面改性的工艺中，多采用渗碳【8 0 1 、渗氮8 1 1 及渗铝【8 2 1 等。随着科学技术的 3 7 t p 3 0 4 h 服役炉管的组织变化研究机寿命预测 进步，对材料的要